基于 NTP 的航天測控網(wǎng)絡(luò )對時(shí)系統研究論文
0 引言
隨著(zhù)我國航天技術(shù)的快速發(fā)展，在系統內已經(jīng)形成了多種業(yè)務(wù)種類(lèi)、多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的航天網(wǎng)絡(luò )設備體系。例如衛星發(fā)射和測控系統需要依靠高可靠性和高精確度的計算機來(lái)控制關(guān)鍵節點(diǎn)工作。這類(lèi)應用對系統內部各設備的時(shí)鐘統一性和精確度要求很高，必須對用戶(hù)設備進(jìn)行時(shí)間同步，以保持航天器與測控系統各用戶(hù)設備時(shí)間和頻率的高度一致。網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(network time protocol，NTP)采用主動(dòng)對時(shí)方法，克服了網(wǎng)絡(luò )競爭機制對系統校時(shí)精度的影響，能實(shí)現系統時(shí)鐘的一致和精確;因此，采用 NTP 協(xié)議實(shí)現網(wǎng)絡(luò )對時(shí)系統，可以有效解決這一問(wèn)題。筆者對 NTP 基本原理、工作模式等進(jìn)行研究，建立了在航天測控網(wǎng)絡(luò )上的 NTP 對時(shí)系統構架，設計并編程實(shí)現了 NTP 網(wǎng)絡(luò )對時(shí)系統。
1 NTP 的基本概念
1.1 NTP 協(xié)議
NTP 協(xié)議是美國 Delaware 大學(xué)的 Mills 教授在1985 年提出的，可以實(shí)現時(shí)間服務(wù)器或精確的時(shí)鐘源(如石英鐘、GPS 等)同計算機的時(shí)鐘同步。NTP協(xié)議適用于在擁塞的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下提供精確和健壯的對時(shí)服務(wù)，把計算機的時(shí)間同步到標準時(shí)鐘源上，可實(shí)現在局域網(wǎng)上誤差小于 1 ms，廣域網(wǎng)上幾十毫秒的高精度時(shí)間校準，同時(shí)其加密認證的模式可防止惡意的協(xié)議攻擊，具有廣泛的應用前景。
1.2 NTP 基本原理
NTP協(xié)議主要以客戶(hù)端/服務(wù)器方式進(jìn)行對時(shí)，而且適用于性能差異大的客戶(hù)端及服務(wù)器，每次對時(shí)共需2個(gè)數據包。假設客戶(hù)端發(fā)送對時(shí)請求的本地時(shí)間為T(mén)1，服務(wù)器端接收對時(shí)請求的服務(wù)器時(shí)間為T(mén)2，服務(wù)器端返回對時(shí)請求的服務(wù)器時(shí)間為T(mén)3，客戶(hù)端收到返回請求的本地時(shí)間為T(mén)4為客戶(hù)端和服務(wù)器端的時(shí)間偏差，T1到T2的路徑延遲為1，T3到T4的路徑延遲為2總路徑延遲。
2 NTP 在航天測控網(wǎng)絡(luò )中的系統架構
目前，航天測控網(wǎng)絡(luò )的主要設備使用直接連接時(shí)鐘源的方式來(lái)實(shí)現時(shí)間同步，如以銣原子鐘為高精度時(shí)鐘源，IRIG-B 為串行時(shí)間同步碼(該碼可以實(shí)現高精度對時(shí)，具有標準化接口等特點(diǎn))。這樣每臺設備都需配置 PCI 時(shí)統卡來(lái)解 B(DC)碼，造成系統成本高且增加了系統的復雜性。而未配置 PCI 時(shí)統卡的設備時(shí)鐘大多靠人工手動(dòng)來(lái)調整，鑒于人工手動(dòng)調整引起的.誤差以及各個(gè)設備內部時(shí)鐘的性能差異等因素，會(huì )造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中設備時(shí)間的不統一。
3 網(wǎng)絡(luò )對時(shí)系統的設計實(shí)現
筆者以 Visual C++6.0 為開(kāi)發(fā)平臺，運用 Winsock網(wǎng)絡(luò )編程技術(shù)，實(shí)現了 NTP 報文的收發(fā)功能。
3.1 服務(wù)器軟件設計
服務(wù)器軟件設計流程如圖 3 所示。服務(wù)器運行后，通過(guò)對串口接收數據，自動(dòng)判斷上級時(shí)鐘源的類(lèi)型，計算出 UTC 時(shí)間;根據工作模式的設置可以定時(shí)向客戶(hù)端廣播時(shí)間報文，或接收客戶(hù)端的時(shí)間同步請求，調用本地時(shí)鐘查詢(xún)函數來(lái)添加請求報文的到達時(shí)間戳 T2，將上述報文保存在表中，接收下一個(gè)時(shí)間同步請求;如果此時(shí)沒(méi)有新的請求，則再次調用系統時(shí)間并添加返回給客戶(hù)端的時(shí)間戳 T3，并同時(shí)將時(shí)間報文送回客戶(hù)端。
3.2 客戶(hù)端軟件實(shí)現
客戶(hù)端軟件主要功能有：定時(shí)向 NTP 時(shí)間服務(wù)器發(fā)送時(shí)間同步請求并接收時(shí)間服務(wù)器返回的帶有時(shí)間戳的 NTP 報文，計算時(shí)間偏差、網(wǎng)絡(luò )延遲和調整本地系統時(shí)間;能夠通過(guò)廣播方式接收報文并直接調整本地系統時(shí)間;提供對時(shí)請求函數接口為其他應用程序調用。
4 結束語(yǔ)
實(shí)踐結果證明：該系統能把全網(wǎng)中的設備時(shí)間偏差精度控制在 1 ms 以?xún)�，�?shí)現了高精度對時(shí)，確保了航天測控網(wǎng)絡(luò )系統內時(shí)間的準確性和一致性。
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